Brandveiligheid van betonconstructies

Transcriptie

1 Brandveiligheid van betonconstructies Guido Coolens Iedereen in het bouwgebeuren, van architect tot ingenieur en van bouwer tot gebruiker heeft te maken met, of is verantwoordelijk voor de brandveiligheid. Na de dramatische brand in de Brusselse Inno in 1968, met een niet beschermde staalstructuur, zijn er belangrijke onderzoeken uitgevoerd omtrent het brandgedrag van gebouwen en de oplossingen om dergelijke catastrofen in de toekomst te voorkomen. De toenmalige kennis omtrent de stabiliteit van betonconstructies bij brand was beperkt en in sommige gevallen, ondermeer voor prefabconstructies, helemaal verkeerd. Zo dacht men bijvoorbeeld dat de beste oplossing erin bestond om een zo stijf mogelijke ter plaatse gebetonneerde constructie te maken en dat in die zin prefabgebouwen een minder goede brandweerstand hadden. Een andere misvatting was dat voorgespannen beton minder bestand was tegen brand dan gewoon gewapend beton. Door de vele studies welke ondertussen uitgevoerd werden, en waaraan de auteur van deze voordracht heeft deelgenomen, is gebleken dat prefabgebouwen een minstens even hoge en zelfs grotere brandweerstand hebben dan ter plaatse gestorte constructies en dat voorspanning even goed is als gewapend beton. Het doel van een brandveilig gebouwontwerp is om persoonlijke en materiële schade te beperken in geval van brand. Daartoe zijn een goed ontwerp en de juiste materiaalkeuze van cruciaal belang. De volgende aspekten moeten behandeld worden: - Voorkomen van het ontstaan van brand door gebruik van niet brandbare materialen - Zorgen voor veilige vluchtwegen - Voorkomen van ontwikkeling en uitbreiding van brand - Ontwerpen en dimensioneren van de gebouwen voor de vereiste brandweerstand Aan brandveiligheid wordt wereldwijd ongeveer 2 tot 6% van de bouwkosten uitgegeven. Wie met beton bouwt, krijgt de brandbescherming er echter gratis bij. De brandveiligheidseigenschappen van beton blijven intact zonder extra onderhoudskosten en ze zijn beter dan wettelijk voorgeschreven. Volgende tabel toont de invloed van het gebruikte bouwmateriaal op het aantal slachtoffers bij branden in enkele Europese landen met een uitgesproken traditie op gebied van bouwmaterialen. Percentage constructiemethode ,9 BETON / HOUTEN GEBOUWEN 9,8 16,9 Oostenrijk Duitsland Japan USA Finland Fig.1: Invloed bouwmateriaal op dodenaantal bij branden 19 21, Doden per inwoners 34 DIMENSION

2 Basiseisen inzake brandveiligheid In de Europese en nationale wetgeving op gebied van de brandveiligheid staat het redden van mensenlevens centraal. Maar ook de belangen van eigenaars, verzekeringsmaatschappijen en overheidsinstanties vormen een aandachtspunt. Denk aan economische factoren, milieubescherming en instandhouding van het patrimonium. Volgende basiseisen worden gesteld: Het ontstaan en de ontwikkeling van brand beperken, bijvoorbeeld door gebruik van onbrandbare materialen voor de constructie De overslag en verspreiding van een brand verhinderen, onder andere door performante brandmuren Een snelle en veilige evacuatie van de gebruikers verzekeren door de vluchtwegen te ontwerpen met een hoge brandweerstand De interventie van de brandweer vergemakkelijken, onder andere door draagstructuren met hoge brandweerstand voor een efficiënte brandbestrijding binnen een gebouw Zorgen dat de brand niet overslaat naar naburige gebouwen Het materiaal beton neemt hier een belangrijke plaats in. Door zijn grote brandweerstand maakt het een veilige compartimentering mogelijk die de uitbreiding van de brand belet. Dit laat toe de bewoners te evacueren of in veiligheid te brengen, bijv. naar een ander compartiment. Het vergemakkelijkt de toegang voor de hulpdiensten en draagt zo ook bij tot hun veiligheid tijdens de brandbestrijding. Reglementering De reglementering op gebied van brandveiligheid omvat verschillende aspekten, welke de hiervoor aangegeven basiseisen in praktische richtlijnen omzetten. Wij beperken ons hier enkel tot het constructieve aspekt. De reglementering bestrijkt enerzijds het vereiste veiligheidsniveau dat vastgelegd wordt in functie van de bestemming en afmetingen van een gebouw en anderzijds de criteria en methodes om dit veiligheidsniveau te realiseren op constructief vlak. Vroeger werden brandveiligheidseisen opgesteld door nationale overheden. Tegenwoordig zijn ze gebaseerd op Europese instructies, normen en richtlijnen. Op te merken valt dat de bescherming van goederen geen deel uitmaken van de doelstellingen van de Bouwproductenrichtlijn. De Europese Commissie laat het veiligheidsniveau voor personen door elk land zelf vastleggen. In België wordt dit geregeld door de Federale en Regionale Overheden en de Gemeenten. De Constructieve vereisten worden bepaald door de Europese normen. De volgende normen bestaan inzake brandveiligheid van betonconstructies: - EN : Belastingen op constructies bij brand (Eurocode 1) - EN : Ontwerp en berekenen van betonconstructies - gedeelte brand (Eurocode 2) Voor elk van deze normen werd een aanvullende Nationale Bijlage geschreven welke bepaalde berekeningsparameters vastlegt, bijvoorbeeld partiële veiligheidscoëfficienten, materiaalkwaliteit bij hoge temperatuur, te gebruiken berekeningsmethode, enz. Eerder dit jaar werd de Nationale Bijlage geschreven voor EN De publikatie wordt kortelings verwacht. Zoals in de titel van de norm aangeduid betreft het berekenings- en dimensioneringsdetails voor het ingenieursontwerp. Ieder volgens Eurocode 2 ontworpen bouwwerk moet aan de volgende brandveiligheidscriteria voldoen: Weerstand (R) Vlamdichtheid of scheiding (E) Thermische isolatie (I) Deze drie criteria worden uitgelegd in de volgende tabel. De referentieletters R, E en I worden samen met cijfers gebruikt die verwijzen naar de weerstand in minuten tenopzichte van de standaard ISO-brandnorm. Zo is een dragende wand die gedurende 90 minuten brandwerend moet zijn, geclassificeerd als R90; een dragende scheidingswand is RE90 en een vloer die zowel een dragende, isolerende en scheidende funstie moet hebben REI90. Zie Tabel 1. Ervaringen met werkelijke branden Wanneer brand uitbreekt in een gedeelte van een gebouw, gaat de temperatuur vlug stijgen, tenminste als er voldoende brandbaar materiaal en zuurstof aanwezig zijn. De blootgestelde constructiedelen warmen op in functie van de thermische geleidbaarheid van de materialen: zeer snel voor onbeschermd staal, eerder traag voor beton. Daarbij treden op het vlak van de materialen twee fenomenen op: een sterkteafname en een thermische dilatatie. Directe thermische acties Wanneer betonnen elementen aan brand worden blootgesteld, zal de inwendige temperatuur stijgen. Een betonnen vloer kan bijvoorbeeld na 1 uur brand aan de onderzijde een temperatuur van 600 C bereiken, terwijl aan de bovenzijde nauwelijks 60 C wordt gemeten. Het wapeningsstaal dat zich onderaan bevindt warmt op en verliest geleidelijk aan zijn sterkte. Het omringende beton vertraagt de opwarming echter sterk. Bij een bepaalde temperatuur kan het wapeningsstaal de optredende spanningen niet meer opnemen en treedt breuk op. Men noemt dit de kritische temperatuur. Bij een betondekking van bijvoorbeeld DIMENSION 35

3 Brandcriterium Résistance ( R) ook genoemd Brandweerstandsdraagvermogen Bepaling Belastingsgrens haar draagvermogen behouden Vereisten De belastingsdragende weerstand van de constructie en de bouwelementen moet gedurende een bepaalde periode worden gewaarborgd Etanchéité (E) ook genoemd Vlamdichtheid Integriteitslimiet mensen en goederen beschermen tegen vlammen, schadelijke rook en hete gassen De doorslag van vlammen en hete gassen naar de niet-blootgestelde zijde wordt voorkomen. De tijdsduur dat, naast brandweerstand, het branddoorslagvermogen van een element in stand wordt gehouden, wat wordt bepaald door de dichtheid van aansluitingen voor vlammen en gassen Isolation (I) ook genoemd Brandvertraging Hitteafscherming Scheiding Isolatielimiet mensen en goederen afschermen van de hitte Er is voldoende massa aanwezig om de temperatuurstijging aan de nietblootgestelde zijde beperkt te houden. De tijdsduur dat, naast brandweerstand en branddoorslag, het brandvertragingsvermogen van een element instand wordt gehouden, wat wordt gedefinieerd door een toelaatbare temperatuurstijding aan de niet blootgestelde zijde. 25 mm, zal bij hevige brand, de kritische temperatuur van het gewapend betonstaal (500 C) na ongeveer 90 minuten bereikt worden, terwijl dit bij een betondekking van 35 mm pas na 120 minuten zal gebeuren. Deze gegevens komen uit Eurocode 2. Voor voorgespannen wapeningen ligt de kritische temperatuur ongeveer 100 tot 150 C lager en moet de betondekking met ongeveer 10 à 15 mm worden vermeerderd voor dezelfde brandweerstand. Indirecte thermische acties Branden welke over verschillende overspanningen woeden, zullen aanleiding geven tot gecumuleerde vervormingen aan de uiteinden. Bij korte, zelfs hevige branden zal het dilatatie effect in de langsrichting kleiner zijn dan bij langdurende minder hevige branden, omdat het beton de nodige tijd moet krijgen om op te warmen. Prefabconstructies weerstaan uitstekend aan de thermische uitzetting omwille van de grotere vervormingscapaciteit van de verbindingen tussen de elementen en het principe van een gecentraliseerde horizontale stabiliteit met kernen en dwarswanden. de wapening, van 60 minuten tot 3 uur en meer. De proefbelastingen varieerde daarbij van 2 tot 10 kn/ m² en beoogde zowel de buigsterkte als de dwarskrachtsterkte. Er bestaan hierover talrijke testrapporten. Proeven worden nu niet zo dikwijls meer uitgevoerd als vroeger. Bovendien stelt men vast dat omwille van de beperkte afmetingen van de proefovens enerzijds (normaal van 4 tot 6 m lengte), en anderzijds het feit dat geprefabriceerde elementen een lengte hebben welke van 6 tot 50 m kan gaan, proeven niet echt relevant zijn en andere methodes moeten gebruikt worden om de brandweerstand van geprefabriceerde elementen te bepalen. Tegenwoordig wordt de brandweerstand meestal bepaald door berekeningen. Staven D=40mm Proeven T1 & T4 Proeven T2 & T3 Onderzoek Proeven op prefabelementen In het verleden werden bij ons en over de hele wereld, talrijke succesvolle brandproeven uitgevoerd op geprefabriceerde constructie-elementen, zowel in gewapend als in voorgespannen beton. De brandweerstand varieert volgens het type element en Ring balk rondom de vloer Ring balk met 2 D=12mm 36 DIMENSION

4 Onderzoek DWTC In 1999 is een studie uitgevoerd door de Universiteiten van Luik en Gent over de brandweerstand van geprefabriceerde voorgespannen holle vloeren. De studie werd gefinancierd door het Ministerie van Binnenlandse Zaken en de FEBE verleende haar medewerking. Het onderzoek omvatte een theoretische studie en 4 brandproeven van 2 uur in het laboratorium te Gent. De proefopstelling is in Figuur 2 gegeven. De proefbelasting bedroeg 100 kn in het midden van elke overspanning. De proeven werden na 2 uur brand gestopt. Onmiddellijk daarna werd de belasting vermeerderd tot breuk van de vloer. De breukbelastingen lagen tussen 254 en 305 kn, behalve voor het rechter veld van de eerste proef waar omwille van een slechte opstelling een gat onder de drukvijzel optrad na 83 minuten. Alle bekomen breukwaarden zijn zeer hoog in vergelijking met de proefbelasting van 100 kn welke als een normale dienstlast kan beschouwd worden. Ze bewijzen dat de elementen na twee uur brand nog over een grote breukreserve beschikten op gebied van buiging en dwarskracht. Proef op een prefabgebouw In 1973 werd een brandproef uitgevoerd op een experimentele prefabhal in het laboratorium voor Brandweerstand van de Rijksuniversiteit te Gent. De proef had verschillende doelstellingen: Een wetenschappelijke analyse maken van een werkelijke brand. Laboratoriumproeven geven over t algemeen veel kleinere brandweerstanden dan deze welke men bij werkelijke branden vaststelt. Dit is vooral te wijten aan de zeer strenge proefomstandigheden waarbij alle meest ongunstige voorwaarden gecumuleerd worden zoals: isostatisch opgelegde elementen zonder verbindingen en een zeer grote brandlast. De intensiteit en brandduur volgens de ISO-curve toetsen aan een werkelijke brandlast van 125 kg gedroogd en fijn gezaagd hout per m² vloeroppervlakte. Druklaag Aantonen dat prefabconstructies een goede brandweerstand hebben Het gebouw had een oppervlakte van 12 x 18 m en een vrije hoogte van 6 m onder de dakliggers. Het skelet bestond uit drie portieken, telkens samengesteld uit 2 kolommen en een voorgespannen dakligger van 18 m lengte. Het dakbedekking bestond uit verschillende types elementen en er was ook een kleine tussenvloer. De brandlast bestond uit 125 kg los gestapeld hout per m², bedoeld om een brand volgens de ISO curve te bekomen. Ongeveer 80 thermokoppels waren in het gebouw geplaatst om de temperatuur in de ruimte en in de elementen te meten. Het geprefabriceerde gebouw heeft de brand zeer goed doorstaan, inbegrepen de grote thermische vervormingen. Tijdens de brand stelde men vast dat na een beginvertraging de werkelijke temperatuur gedurende ongeveer 70 minuten de ISO-curve gevolgd heeft. Fig. 2: proefopstellingen Na de brand werd een nauwkeurige analyse gemaakt van de gebruikte elementen en materialen. Een van de dakbalken werd hersteld met spuitbeton zonder enige toevoeging van bijko- DIMENSION 37

5 De brand was zeer hevig en heeft ongeveer 1 uur geduurd. De maximum temperatuur bij de beide proeven was hoger dan de standaard brandcurve (tot 60 minuten) en strenger dan de parametrische curve tijdens de opwarmingsfaze. Beide proeven behielden de volledige belasting tijdens de volledige brand en afkoeling. De proefresultaten versterken de ervaring van werkelijke branden, dat voorgespannen holle vloeren een goede inherente algemene brandweerstand hebben. Proef 1 ISO mende wapeningen. Nadien werd hij aan een belastingsproef onderworpen in het Laboratorium Magnel. De balk is bezweken bij een nuttige belasting welke 2,45 maal groter was dan de toegelaten belasting bij normale temperatuur, met andere woorden ongeveer dezelfde waarde als een nieuwe balk. Er werden eveneens breukproeven uitgevoerd op een reeks andere elementen, echter zonder voorafgaandelijke reparatie. Alle resultaten lagen hoger dan de berekende gebruiksbelasting. Luchttemperatuur Proef 2 Tijd in Parametrische Proef op een woningcompartiment in 2007 In 2007 werden door het British Research Establishment twee grootschalige brandproeven uitgevoerd op gebouwcompartimenten welke beantwoordden aan de gebruikelijke Britse bouwpraktijk voor verdiepingswoningen en appartementen, namelijk een staalskelet met gemetselde opvulwanden en een voorzetgevel. De binnenafmetingen van de compartimenten waren 7,02 x 17,76 met een binnenhoogte van 3,6 m, waarbij de niet beschermde kanaalplaten de zoldering vormden. De elementen werden opgelegd op staalbalken. De afmetingen van de vloer bedroegen 7,0m x 17,86 m. Bij elk compartiment was het frame opgevuld met 100 mm dikke betonblokken, welke binnenin beschermd waren met een brandplaat van 15 mm Er waren drie ventilatieopeningen voorzien in de voorgevel, elk 2,2m breed en 1,6 m hoog. De dragende staalstructuur was eveneens beschermd met een 15 mm dikke brandplaat welke normaal voor 60 minuten volledige brandbescherming moet zorgen. De belasting van 4,5 kn/m² bestond uit 60 zakken zand (elk met een gewicht van 1 t) gelijkmatig verdeeld over de vloeroppervlakte. De brandbelasting werd bekomen met 40 houtstapels (1m x 1m x 0,5 m hoog) samengesteld uit 50mm x 50mm x 100mm latten, evenredig verspreid over het compartiment. De brandbelasting was gelijk aan 32,5 kg hout/m². Fig. 3 Gemiddelde luchttemperaturen tijdens de proeven Besluit Betonconstructies hebben een hoge inherente brandveiligheid. Er zijn in het verleden wereldwijd talrijke studies uitgevoerd die dit bewijzen. Beton is een materiaal met een kleine warmtegeleiding, waardoor mits voldoende afmetingen en betondekking brandweerstanden tot 180 minuten en meer kunnen gehaald worden zonder extra bescherming. Prefabgebouwen sluiten zich hierbij perfect aan. Bovendien werden in het verleden talrijke succesvolle brandproeven uitgevoerd op alle bestaande elemententypes. Het is dan ook niet overdreven te stellen dat prefabconstructies een zeer goede brandweerstand bezitten. De jarenlange ervaring met werkelijke branden bewijst dit trouwens ten volle. Ir. Arnold Van Acker - Expert FEBE 38 DIMENSION